重大突破！UCLA杨阳最新Nature Sustainability！

成果简介

半透明有机光伏（OPV）电池是一种新兴的太阳能收集技术，具有广阔的应用，例如环保温室的屋顶能源供应。然而，OPV的运行稳定性差，对其持续为设施提供服务的可行性提出了挑战。

在此，美国加州大学洛杉矶分校杨阳教授，大连理工大学王敏焕副教授和土耳其马尔马拉大学Ilhan Yavuz教授报道了一种用于半透明OPV的还原层间结构，该结构提高了OPV在连续太阳辐射下的运行稳定性。

实验结果表明，半透明OPV的功率转换效率为13.5%，平均可见透过率为21.5%，在连续照明下具有出色的运行稳定性（1008 h后保持率为84.8%）。温室结果表明，半透明的OPV屋顶有利于作物的成活率和生长，表明本文的方法在应对粮食和能源挑战方面的重要性。

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研究背景

近几十年来，粮食和能源危机席卷了世界上大多数发展中地区，有效利用农田的可持续技术是解决问题的关键。特别是温室，可以通过补偿天气或温度对农作物和蔬菜的波动影响来有效地延长种植季节。因此，温室被广泛认为是提高不断增长的人口粮食产量的有效策略。

然而，用于控制温室内部环境的电网建设和电力消耗大大增加了成本，特别是在广阔的偏远地区。因此，将半透明有机光伏（OPV）集成到发电屋顶的智能温室，对于现代农业来说是非常理想的。

由于有机材料独特的波段结构，OPV能够选择性地吸收所需波长的光。近年来，半透明OPV的功率转换效率（PCE）和平均可见光透过率（AVT）均有显著提高。然而，OPV的稳定性似乎是阻碍半透明OPV集成到屋顶广泛使用的主要问题。因此，一种能够有效防止电子传输层和光活性层之间直接接触而不妨碍电荷转移的层间策略特别重要。

内容详解

基于此，本文报告了一种基于还原型L-谷胱甘肽（L-G）用于半透明OPV设备。该装置使用PM6/Y6（方法）作为光活性层，通过插入夹层，实现了ZnO层与PM6/Y6光活性层之间的界面电阻降低和利于电荷转移。同时，半透明器件的PCE从11.6%提高到13.5%，短路电流密度增强（20.5到22.2 mA/cm²）。

此外，由于L-G分子的强还原性，自由基的产生减少。基于密度泛函理论（DFT）的量子力学模拟计算证实了L-G分子官能团的缺陷钝化和超氧自由基抑制效应。以一日强度连续照明500 h后，有机光活性层中的分子结构和堆积几乎保持不变，而参考光活性层表现出明显的聚集和分解。

带有L-G中间膜的半透明OPV在连续照明1008 h后保持其初始PCE的84%以上。所得半透明OPVs在发电屋顶中的整合表明，与传统玻璃屋顶温室相比，半透明OPV集成温室的植物生长有所改善，成活率更高。这些结果加强了半透明OPV用于农业和其他相关应用的可行性。

光伏性能提升

如图1b所示，半透明OPVs的基本器件结构为氧化铟锡（ITO）、ZnO/光活性层、MoO₃/超薄金（Au）/超薄银（Ag）。在这种结构中，金超薄层的沉积提供了成核中心，确保形成连续的银薄膜。通过旋涂和退火工艺在ZnO层和光活性层之间插入薄的L-G中间膜，其表面的形貌没有随着L-G层的掺入而改变。

结果，半透明器件的平均PCE从11.6%增加到13.5%。外部量子效率（EQE）光谱也得到证实。同时，电化学阻抗谱测量表明，通过插入L-G中间层获得了低得多的电荷转移电阻，表明光活性层和电子传输层与L-G中间层之间的界面处的电荷转移得到促进。